农业专家系统在武陵山片区油茶种植中的应用

周妮，丁湘陵，钱莹晶

（怀化学院电气与信息工程学院/武陵山片区生态农业智能控制湖南省重点实验室，湖南怀化418008）

农业专家系统在武陵山片区油茶种植中的应用

周妮，丁湘陵，钱莹晶

（怀化学院电气与信息工程学院/武陵山片区生态农业智能控制湖南省重点实验室，湖南怀化418008）

分析了武陵山片区油茶种植的现状，提出了研究适用于此片区、此作物的农业专家系统.查阅了国内外相关资料，构建了目标系统模型.此系统的核心为SSH开发框架，以MyEclipse作为主要的开发工具，利用面向对象技术，将采集系统、专家系统等有机结合，实现对油茶种植状态进行实时监测等功能.此系统的研究在武陵山片区油茶种植中具有较好的发展前景.

专家系统；紫蜂协议；人机交互

1 引言

油茶（Camellia deifera）又名油茶树、茶子树[1]，是我国特有的木本食用油树种.2008年，国家出台了《关于促进食用植物油产业健康发展保障供给安全的意见》，就明确指出要保障国家粮油安全，对油茶等特种油料作物加强管理，促进农业安全发展.

怀化地处湖南西南部，一年四季日照充足，且有足够的雨水，为发展油茶产业提供必要条件.目前，怀化地区拥有油茶林121.96万亩，怀化中方县更有“油茶之乡”的美称.

由于部分新引种地区的栽培技术和管理措施不到位，油茶的日常管理问题日益突出，严重制约着油茶产业的发展.油茶生长数据的获取是茶园管理的基础，数据的准确性和实时性关系到油茶栽培的质量和效益.伴随着武陵山片区油茶产业面积逐渐扩大，人工巡查工作量大与效率低的矛盾日益突显，油茶生长数据监测实时性和全面性难以保证；且从业者能力水平参差不齐，不能够正确分析判断油茶生长、病虫害实际情况，由于人员本身知识欠缺而导致的漏查、误判情况时有发生.同时，油茶栽培者学习行业知识、获取相关技能培训途径非常有限.地方农业部门具有良好的技术支持力量，但目前农技人员数量远远不能满足产业发展的需求，且由于交通、气候等因素造成咨询、判断、处置等环节存在时间和空间上的脱节；网络涵盖海量行业信息，但油茶栽培者普遍计算机应用基础薄弱，难以在复杂繁冗的信息中寻找到针对性的有用知识，难以切实发挥其“万能网络”的真实作用.

因此从油茶种植和生产管理的实际需要出发，面向武陵山片区建立一个智能化、网络化、实用化的油茶种植农业专家系统，符合我省现代化农业发展的政策导向，对降低污染和能耗、提高农作物产量和质量，有着十分重要的意义.

2 国内外研究现状和发展趋势

2.1 数据采集技术

信息的采集是实施种植信息化、智能化的关键和基础，随着采集设备和无线通信技术手段的不断提高，经历了从手工到自动再到智能的发展历程[1].

无线传感器网络技术（Wireless Sensor Networks WSNs）在温室环境应用、节水灌概应用、环境监测及动植物生理生态监测中等环境数据的采集方面具有一定的优势，可用于农业生产的各个环节.

2.2 农业专家系统

专家系统（Expert System）是具有一定智能特点的计算机程序，其智能化主要表现为能够在特定的领域内模仿人类专家思维来求解复杂问题[2].

专家系统产生于20世纪60年代中期，70年代末期，农业专家系统初露雏形.美国伊利诺斯州立大学研制成功大豆病虫害诊断系统[3]；佛罗里达大学研究的大豆病虫害防治专家系统、品种选择专家系统[4]；美国宾夕法尼亚州立大学农业科学院专家系统发展组开发研制的系列果树类软件在美国各州全面推广[5]；Kemp（人名）等[6]开发的苹果病虫害诊断专家系统、Buwalda（人名）和Smith（人名）等[7]开发的称猴桃营养管理专家系统、Laurenson（人名）等[8]开发的果园精细灌溉和病害诊断系统投入生产中应用后，均带来了经济上的效益；美国农业部和全国棉花委员会合作开发了棉花综合生产管理专家系统[9]；埃及农垦部联合国粮农组织和发展计划署共同发起了研制作物管理专家系统的项目，并建立农业专家系统中实验室.

目前，农业专家系统的研究吸引了国内外大批的学者参与其中，极大地促进了我国农业信息化建设的进程，但在其发展过程中仍存在如下的问题：

①性能达不到真正指导作业的要求.目前研究的农业专家系统，没有针对武陵山片区的特殊气候环境进行调研，大部分处在科学院及其试点应用，没有真正应用于油茶林.

②系统开发者未考虑使用者的专业水平.目前研究的农业专家系统功能复杂，操作难度较大，对于计算机基础较差的茶农推广起来较难.

③知识获取困难.农业信息量庞大，由于农业信息网络和数据库建设滞后，专家系统无法及时更新最新知识，使用者无法有效合理使用农业信息.

图1 系统工作原理图

图2 信息监测与采集系统结构图

图3 油茶专家系统总体框架图

3 研究方案

3.1 研究目标

目标系统的工作原理如图1所示.

首先对油茶的生长环境和生长情况进行数据采集；然后对采集到的数据进行分析，同时结合人工智能技术给出适合油茶生长的实施方案；最后，用户通过访问专家系统，查询和获取基本的油茶领域知识.

3.2 系统实现的关键技术

3.2.1 油茶生长环境监测与数据采集系统

武陵山片区地理环境多为山地，且茶林面积巨大，光纤等信息基础建设薄弱.考虑到功耗与成本，网络的通信方式应尽可能选择低成本、低速率、低功耗的通信技术.比较有线和无线两种连接方式可知：虽然有线连接稳定性相对较高，但大量的布线使系统的开发和维护成本增加；而无线方式能耗、成本更低，维护相对容易.

图4 生长环境监测页面

图5 信息管理页面

因此系统可以采用主要适用于自动控制和远程监测控制领域的Zigbee（是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议，又名紫蜂协议[10]）协议进行组网.油茶林数据采集与监测系统结构图如图2.

3.2.2 油茶专家系统平台开发

根据目标系统的工作原理，油茶专家系统分为3个子系统：油茶生长环境监测系统、油茶病虫害诊断系统和农业信息管理.油茶专家系统总体框架如图3.

此项目的3个子系统均基于Web页面（互联网页面，万维网上的一个按照HTML格式组织起来的文件[11]），都是采用Java语言（是一种跨平台、适合于分布式计算的、面向对象的编程语言[12]）开发的，因为该系统处在同一硬件平台之下，所以可以整合到同一项目之中.

图6 环境数据报表页面

4 系统界面及测试数据

4.1 生长环境监测页面

生长环境监测页面如图4所示.

在这个页面上，系统能够有效地定位监测地址，并且在地图上标识出来；能实时显示当前区域的空气温度、湿度、光照强度、土壤的温度、湿度等相关信息，并对这些信息与系统里面存储的油茶生长环境信息做出相应分析.

4.2 信息管理页面

信息管理页面如图5所示.

在这个页面上系统能够存储一个月甚至更长时间系统监测到的室外温度、湿度、光照、风速等相关信息，能够记录这段时间里系统报警的记录，能够提供用户日志，以便做出分析比较.

4.3 环境数据报表页面

环境数据报表页面如图6所示.

在这个页面上系统将一个月内监测到的室外温度、湿度、光照强度以及土壤温度、湿度等相关信息以报表的形式展现出来，能够将这段时间里系统报警的记录以报表的形式展现.通过分析比较可以有效地掌握油茶林的生长情况.

5 结论

由于研究时间和经费的限制，此系统目前还没广泛用于武陵山区的油茶林.测试的数据是在怀化学院逸夫楼的温室大棚进行的.经过测试，该系统监测的数据与实际数据基本吻合，系统存储的数据也可以长时间保留用作对比分析.

油茶专家系统已经完成了生长环境监测系统及数据管理系统的研究.接下来的工作将会对油茶林病虫害信息做出调查，将诊断系统加以完善.

目前国内市面上还没有一个面向武陵山片区油茶种植的集数据采集、处理、传输、储存、智能决策于一体精细农业专家系统.而由于作业方式、作物种类、地域特点以及生产规模的不同，国外系统很难直接引用.因此，针对武陵山片区地域特色，研究建立符合片区特点、简单易用的油茶种植精细农业专家系统，对发展武陵山片区农业信息化建设具有重要理论价值，对提高我省的农业信息化水平具有重要意义.

[1]黎丽.遂川县油茶种植气候区划及生产建议[J].现代农业科技，2009（24）：281，284.

[2]降惠，李杰.农业专家系统应用现状与前景展望[J].山西农业科学，2012，40（1）：76-78.

[3]J.Durkin.Research Review：Application of Expert Systems in the Sciences[J].The OhioJournal ofScience，1990，90（5）：171-179.

[4]H.W.Beck，P.Jones，J.W.Jones.SOYBUG：An Expert System for Soybean Insect Pest Management[J].Agricultural Systems，1989，30：269-286.

[5]刘后胜，李绍稳，刘莉.专家系统及其在果树学上的应用[J].计算机与农业，2003（3）：3-15.

[6]R.H.Kemp，T.M.Stewart，A.Boorma.AnExpertSystemfor Diagnosis of Pests，Diseases，and Disorders in Apple Crops[J]. NewZealand Journal ofCrop and Horticultural Seienee，1989，17（l）：89-96.

[7]J.G.Buwalda，G.Smith.Kiwifruit Nutrition Management Service：a Mathematical Model and Data base for Commercial Consultancy [J].Acta Horticulture，1990，276：79-86.

[8]M.R.Laurenson.ODE-OrchardDecisionEnvironment[J].Aeta Horticulture，1990，276：301-304.

[9]J.Baker，H.Lemmon.Expert Systems For Agriculture[J].Computers and Electronics in Agriculture，1985，1：31-40.

[10]周政.BP神经网络的发展现状综述[J].山西电子技术，2008（2）：90-92.

[11]湛湘倩，狄文辉，孙冬.基于SSH框架与AJAX技术的Java Web应用开发[J].计算机工程与设计，2009（10）：2590-2592.

[12]李峰，刘彦隆.基于SSH框架与jQuery技术的Java Web开发应用[J].科技情报开发与经济，2010（6）：106-108.

Research on Camellia Planted Agricultural Expert System in Wuling Mountain Area

ZHOU Ni，DING Xiang-ling，QIAN Ying-jing
（Electrical and Information Engineering College/Hunan Provincial Key Laboratory of Ecological Agriculture Intelligent Control Technology，Huaihua University，Huaihua，Hunan 418008）

This paper analyzed the current situation of the Wuling mountain area of tea planting and put forward the research of agricultural expert system applicable to the crops in this area.Based on the relevant information at home and abroad，the model of the target system was constructed.This model used object-oriented technology，using Java language，MyEclipse as development tool with the mainstream SSH development framework as the core，the crop pest control system，diagnosis system and crop management system of organic integration.The operation interface was simple and clear.Users needed no special training，no professional agricultural knowledge and computer knowledge and could make various types of access to the platform，query and diagnosis of diseases and insect pests.This system had good prospects for development in tea planting in Wuling Mountain area.

expert system；Zegbee；human-computer interaction

S126

A

1671－9743（2017）05－0050－04

2016-11-28

武陵山片区生态农业智能控制湖南省重点实验室资助项目（ZNKZ2016-06）；湖南省科技计划项目资助（2016NK3158）；湖南省科技厅计划项目资助（2015NK2155-2）.

周妮，1980年生，女，湖南益阳人，讲师，研究方向：通讯技术.